山西太興鐵路黃土濕陷性評(píng)價(jià)

祝懷田,張?jiān)葡?/p>

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司太原設(shè)計(jì)院,太原 030009)

我國(guó)濕陷性黃土是指第四紀(jì)全新世(Q4)至晚更新世形成的黃土,分布面積約38×104km2,晉西北為主要分布區(qū)。隨著中部崛起政策的逐步實(shí)施,作為中國(guó)戰(zhàn)略能源中心的山西,為實(shí)現(xiàn)煤炭外運(yùn)通道快速暢通且成本低廉,鐵路建設(shè)勢(shì)在必行,新建太興鐵路線經(jīng)過(guò)的黃土地區(qū)的黃土濕陷厚度差別較大,正確地分段評(píng)價(jià)不同地貌黃土濕陷性,采用合理工程措施,對(duì)工程建設(shè)順利進(jìn)行、減少工程投資具有重要意義。

1 鐵路沿線黃土概述

太興鐵路位于黃河中游黃土高原東部的黃土丘陵地區(qū),大部分位于構(gòu)造堆積盆地區(qū),局部為山坡覆蓋薄層黃土。其現(xiàn)在地貌繼承了下伏古地面起伏形態(tài),經(jīng)過(guò)幾次黃土堆積和間斷侵蝕過(guò)程,在河流及溝谷的水活動(dòng)和坡面侵蝕的情況下發(fā)展形成以塬、梁、峁為代表的黃土地貌,主要黃土為上更新統(tǒng)(Q3)馬蘭黃土,顏色呈現(xiàn)淺黃色～褐黃色,一般厚度20～30 m,最大厚度大于50 m。局部夾有砂類(lèi)土層或其透鏡體,砂感明顯,沖溝處多見(jiàn)陡立邊坡,垂直節(jié)理較發(fā)育。通過(guò)對(duì)此段線路勘探,里程DK119+700～DK122+800段黃土沖溝較淺,里程DK103+900～DK119+300段黃土沖溝較深,溝內(nèi)黃土受流水改造較大(DK119+300～DK119+700段為構(gòu)造隆起部位,出露太古界片麻巖)。

2 鐵路沿線黃土常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)

便于對(duì)比分析,本文選取太興線里程DK103+900～DK122+800區(qū)段為研究對(duì)象,研究區(qū)屬于典型黃土丘陵區(qū),黃土覆蓋層厚,其上為上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q3eol)砂質(zhì)黃土,原場(chǎng)地濕陷厚度最大達(dá)20 m。為正確分析工程區(qū)黃土物理力學(xué)性質(zhì),野外過(guò)程中分段于不同地貌進(jìn)行挖探槽取樣,所挖探井深度一般為15～25 m,取樣間距為1 m,每米取2個(gè)試樣,用于室內(nèi)雙線試驗(yàn),通過(guò)對(duì)鐵路沿線砂質(zhì)黃土試驗(yàn)得出其含水率、干密度、飽和度、孔隙比等物理力學(xué)參數(shù),見(jiàn)表1。

表1 太興線黃土物理力學(xué)參數(shù)

由表1得出,黃土含水率、液限、塑性指數(shù)隨深度變化不大,干密度、飽和度、孔隙比隨深度出現(xiàn)明顯變化,如干密度15 m以上1.30～1.40 g/cm3,15～25 m為1.50～1.55 g/cm3,孔隙比14 m以上為1.03～1.20,14～20 m為0.910～0.968,20～25 m為0.75～0.90,且兩者有一定的對(duì)照性,土體表現(xiàn)出中-高壓縮性。

3 黃土濕陷性評(píng)價(jià)

3.1 黃土濕陷機(jī)理

經(jīng)研究,影響黃土濕陷性的微觀因素主要有黃土的微觀結(jié)構(gòu)特征、顆粒組成、化學(xué)成分；宏觀因素主要有黃土的含水量和上覆壓力大小。

對(duì)于微觀因素的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：通過(guò)對(duì)骨架顆粒的微觀結(jié)構(gòu)變形分析,認(rèn)為黃土的濕陷過(guò)程就是骨架顆粒的分解和重新排布的過(guò)程；而對(duì)孔隙的微觀結(jié)構(gòu)變形分析認(rèn)為黃土的濕陷過(guò)程是大孔隙破壞,中孔隙變形,小孔隙、微孔隙增多,孔隙比減小的過(guò)程；而對(duì)膠結(jié)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)變化分析認(rèn)為，黃土的濕陷破壞主要是土中骨架顆粒膠結(jié)的破壞。在外力作用下,黃土顆粒原先粒間膠結(jié)力遭到破壞,骨架顆粒脫離原先膠結(jié)力約束而重新排列。

3.2 鐵路沿線黃土濕陷性分析

室內(nèi)黃土試樣濕陷性試驗(yàn)采用雙線壓縮法,測(cè)定濕陷系數(shù)δs試驗(yàn)壓力基底下10 m以?xún)?nèi)的土層應(yīng)用200 kPa,10 m以下至非濕陷性黃土層頂面,其試驗(yàn)壓力為上覆土的飽和自重壓力,當(dāng)其大于300 kPa時(shí),仍用300 kPa。為確保濕陷系數(shù)的準(zhǔn)確性,試驗(yàn)過(guò)程中天然濕度試樣在最后一級(jí)壓力下浸水飽和附加下沉穩(wěn)定后的高度與浸水飽和試樣在最后一級(jí)壓力下的下沉穩(wěn)定后的高度相對(duì)差值不大于20%時(shí),以前者的結(jié)果為準(zhǔn),對(duì)浸水飽和試樣的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正；如果相對(duì)差值大于20%,重新進(jìn)行試驗(yàn)。太興線黃土濕陷性分析見(jiàn)表2。

表2 太興線黃土濕陷性分析

DK103+900～DK119+300黃土梁處探井共16個(gè),依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析其濕陷等級(jí)一般為Ⅱ級(jí)自重濕陷性,一般濕陷量自重濕陷量90～185 mm,濕陷量為260～540 mm,最大濕陷深度為20 m；此段黃土溝探井個(gè)數(shù)為8個(gè),自重濕陷量為53～122 mm,濕陷量為100～340 mm,濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)非自重～Ⅱ級(jí)自重濕陷性。

DK119+700～DK122+800黃土梁探井共9個(gè),試驗(yàn)結(jié)果分析其濕陷等級(jí)一般為Ⅱ級(jí)自重濕陷性,一般濕陷量自重濕陷量78～82 mm,濕陷量為205～287 mm,最大濕陷深度為14 m；此段黃土溝探井個(gè)數(shù)為5個(gè),自重濕陷量為0～68 mm,濕陷量為35～90 mm,濕陷等級(jí)為無(wú)濕陷性～Ⅰ級(jí)非自重濕陷性。

以上分析得出,黃土梁部位黃土具Ⅱ級(jí)中等自重濕陷性,黃土溝部位黃土具無(wú)濕陷性～Ⅱ級(jí)中等自重濕陷性?？傮w上DK103+900～DK119+300比DK119+700～DK122+800段黃土濕陷量大,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析,DK119+700～DK122+800段黃土長(zhǎng)期經(jīng)水流作用改造大。

4 挖填方對(duì)黃土濕陷性評(píng)價(jià)影響

《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025—2004)規(guī)定：場(chǎng)地的自重濕陷量從天然地面高程算起。當(dāng)挖填方的厚度和面積較大時(shí),從設(shè)計(jì)地面算起。鐵路沿線黃土厚度不一,軌面高程隨著里程變化,沿線黃土勢(shì)必進(jìn)行一定的挖填方,挖填方厚度明顯地帶引起的卸荷、加荷對(duì)黃土濕陷系數(shù)影響較大,從而影響濕陷場(chǎng)地評(píng)價(jià)結(jié)果。如DK108+850～DK109+040段為挖方段,平均挖方深度為6 m,挖方之前黃土濕陷性評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)自重濕陷性,自重濕陷量為123.5 mm,濕陷量為539.2 mm,濕陷深度為15 m。挖方后,濕陷系數(shù)有所降低,自重濕陷量為58.2 mm,濕陷量為265 mm,濕陷深度為8 m。黃土濕陷性系數(shù)隨深度變化曲線如圖1、圖2所示。

圖1 DK108+850～DK109+040段黃土濕陷性系數(shù)隨深度變化曲線

圖2 DK107+800～DK108+850段黃土濕陷性系數(shù)隨深度變化曲線

如DK107+800～DK108+850段為填方段,填方高度為8～12 m,增加的上覆荷載150～200 kPa,濕陷系數(shù)、濕陷量都有所增大,自重濕陷量由原來(lái)的252.8 mm變?yōu)?55.3 mm,濕陷量由357 mm變?yōu)?09 mm,濕陷等級(jí)由Ⅱ級(jí)自重變?yōu)棰蠹?jí)自重濕陷性。

以上對(duì)比分析可以看出,考慮挖方填方引起卸載加載對(duì)黃土濕陷性評(píng)價(jià)影響較大,直接影響著工程處理措施、施工方法。

5 結(jié)論建議

(1)本文選取太興線DK103+900～DK122+800段砂質(zhì)黃土為研究對(duì)象。砂質(zhì)黃土含水量隨深度變化不大,一般為15.7%～18.3%,干密度、孔隙比等隨深度表現(xiàn)一定規(guī)律性,孔隙比于14 m以上為1.03～1.20,14～20 m為0.910～0.968,20～25 m為0.75～0.90,系中-高壓縮性土,且濕陷性黃土孔隙比e均在1.00以上。塑性指數(shù)為8.3～9.5,說(shuō)明黃土黏粒含量低,表現(xiàn)出粉土特性。

(2)通過(guò)對(duì)DK103+900～DK122+800段黃土濕陷性研究表明,黃土梁部位黃土具Ⅱ級(jí)自重濕陷性,黃土溝部位黃土具有無(wú)濕陷性～Ⅱ級(jí)自重濕陷性,且DK103+900～DK119+300比DK119+700～DK122+800段黃土濕陷量大。鐵路挖填方引起的工程場(chǎng)地黃土上覆荷載變化,可以使得場(chǎng)地濕陷性程度降低,也可使得濕陷等級(jí)提高,進(jìn)而影響工程措施、施工方法等。由此可見(jiàn)，黃土地區(qū)濕陷性評(píng)價(jià)應(yīng)考慮挖填方引起的上覆荷載變化,根據(jù)黃土不同地貌分段進(jìn)行評(píng)價(jià),并且能為以后類(lèi)似工程提供參考。

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